Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Characterisation of porcine intestinal dendritic cell subsets and their role in mucosal immunity using cholera toxin as a model antigen

Bimczok, Diane

The intestinal immune system is continuously faced with a large number of antigens. Ade­quate immune reactions need to be generated to deal with harmless food antigens and commensal bacteria on the one hand, and pathogenic bacteria, viruses and parasites on the other. For this decision between tolerance and protective immunity, dendritic cells (DC) play a key role, since they are able to modulate T cell responses by presenting certain anti­gens and expressing certain surface molecules and cytokines. In the intestinal immune system, DC populations with possibly distinct functions are distributed in different com­partments: In the intestinal wall, they are localised in the villus lamina propria as well as in the subepithelial domes and the T cell regions of the Peyer’s patches; and they can migrate from gut wall to mesenteric lymph nodes via the intestinal lymph vessels. The aim of this study was the functional and phenotypic characterisation of DC in the por­cine intestinal immune system, and, based on these results, the description of possible DC migration routes. Furthermore, the influence of the strong mucosal antigen cholera toxin (Ctx) on porcine DC was investigated. Therefore, migrating DC collected from pseudo-af­ferent intestinal lymph were compared to DC populations from other localisations. In addition to in vivo application, the effects of Ctx were also studied on cells isolated from tissues and on monocyte-derived dendritic cells (MoDC). Using flow cytometry and immunofluorescence analysis of histological sections, four dis­tinct populations of DC were detected in the porcine intestinal immune system: CD11R1+/SWC3a+, CD11R1+/SWC3a–, CD11R1–/SWC3a+ and CD11R1–/SWC3a–. Of these four, only the two CD11R1+ subsets were also present in pseudo-afferent intestinal lymph. DC were mainly CD11R1+/SWC3a+ in the lamina propria, and in the Peyer’s patches, DC were largely CD11R1–/SWC3a+ in subepithelial domes and CD11R1–/ SWC3a– in T cell areas. In contrast, DC located in T cell areas of mesenteric lymph nodes were mostly CD11R1+/SWC3a–. Surprisingly, DC isolated from pseudo-afferent intestinal lymph were unable to induce T cell proliferation in vitro, although both the high expres­sion of co-stimulatory molecules and the low endocytic capacity indicated a mature DC population. No effect of Ctx application on DC migration in lymph could be detected in the samples analysed. However, the ratio of SWC3a+ DC to SWC3a– DC in the lamina propria was further increased. Cytokine mRNA expression differed between SWC3a+ and SWC3a– DC. In vitro, Ctx caused an up-regulation of co-stimulatory molecules both on DC isolated from lamina propria and mesenteric lymph nodes, and on MoDC, indicating enhanced maturation. Conversely, Ctx suppressed the expression of MHC molecules on MoDC as well as their T cell stimulatory capacity. This effect was possibly mediated by the higher IL-10 secretion rate of Ctx-primed DC. In conclusion, the distribution of DC subpopulations and the lack of T cell stimulatory ca­pacity on CD11R1+ DC migrating in lymph indicate that these cell are mainly derived from the intestinal lamina propria and that they mediate tolerance under steady state conditions. Although Ctx application had few effects on DC in vivo, it seemed to inhibit full matura­tion of MoDC in vitro, which also resulted in a tolerogenic DC phenotype.

Das Darmimmunsystem muss sich ständig mit einer großen Anzahl verschiedener Anti­gene auseinandersetzen. Dabei müssen adäquate Immunreaktionen gegenüber Nahrungsantigenen und kommensalen Bakterien einerseits und bakteriellen, viralen und parasitären Krankheitserregern andererseits entwickelt werden. Dendritische Zellen (DCs) spielen bei dieser Entscheidung zwischen Toleranz und protektiver Immunität eine wich­tige Rolle, da sie durch Auswahl der zu präsentierenden Antigene sowie durch Expression bestimmter Oberflächemoleküle und Zytokine die T-Zellantwort entscheidend steuern können. Im Darmimmunsystem sind DC-Populationen mit möglicherweise unterschiedli­chen Funktionen in mehreren Kompartimenten verteilt: In der Darmwand sind sie in der Lamina propria der Zotten sowie in Dome-Arealen und interfollikularen T-Zellregionen der Peyer’schen Platten lokalisiert; und über die Lymphwege können sie von der Darm­wand zu den mesenterialen Lymphknoten wandern. Ziel dieser Arbeit war es, DCs in verschiedenen Kompartimenten des Darmimmunsystems des Schweins funktionell und phänotypisch zu charakterisieren und auf Grundlage dieser Daten mögliche Migrationswege der DCs zu beschreiben. Weiterhin sollte der Einfluss des starken mukosalen Antigens Choleratoxin (Ctx) auf DCs des Schweins untersucht werden. Dazu wurden migrierende DCs aus der pseudo-afferenten Darmlymphe gewonnen und mit DCs aus den anderen Lokalisationen verglichen. Die Wirkungen von Choleratoxin wurden außer in vivo und an aus den Organen isolierten Zellen zusätzlich an aus Blutmonozyten generierten DCs (MoDCs) untersucht. Mittels Durchflusszytometrie und Immunfluoreszenzhistologie konnten im Darmimmun-system des Schweines vier unterschiedliche Populationen Dendritischer Zellen dargestellt werden: CD11R1+/SWC3a+, CD11R1+/SWC3a–, CD11R1–/SWC3a+ und CD11R1–/ SWC3a–. Nur die beiden CD11R1+ Populationen waren auch in der Darmlymphe vorhan­den. DCs in der Lamina propria waren hauptsächlich CD11R1+/SWC3a+, in den Peyer’schen Platten befanden sich zumeist CD11R1–/SWC3a+ Zellen in den Domearealen und CD11R1–/SWC3a–  Zellen in den T-Zellregionen. DCs in den T-Zellregionen der me­senterialen Lymphknoten hingegen waren größtenteils CD11R1+/SWC3a–. Überraschen­derweise konnten die migrierenden DCs in der Darmlymphe keine T-Zellproliferation in­duzieren, obwohl die hohe Expression co-stimulatorischer Moleküle und die nur geringe Phagozytosefähigkeit auf eine reife Zellpopulation hindeuten. In den Untersuchungszeit­räumen hatte Ctx keinen Einfluss auf die DC-Migrationsrate in der Lymphe, konnte aber das Verhältnis von SWC3a+ gegenüber SWC3a–DCs in der Lamina propria noch weiter erhöhen. SWC3a+ und SWC3a–DCs wiesen unterschiedliche Zytokinmuster auf. In vitro konnte das starke mukosale Antigen Ctx eine erhöhte Expression co-stimulatorischer Mo­leküle auf DCs der Lamina propria und des mesenterialen Lymphknotens sowie auf MoDCs induzieren, was auf eine vermehrte Reifung der Zellen hindeutet. Die Expression von MHC-Molekülen sowie die Fähigkeit zur T-Zellstimulation wurde durch Zugabe von Ctx zu den MoDC-Kulturen jedoch deutlich supprimiert. Vermutlich wurde dieser Effekt durch die verstärkte IL-10 Sekretion der MoDC nach Ctx-Stmulation vermittelt. Insgesamt deuten die Verteilung der DC-Subpopulationen und die mangelnde Fähigkeit, T‑Zellproliferation zu induzieren, darauf hin, dass die in der Lymphe migrierenden CD11R1+DCs hauptsächlich der Lamina propria entstammen, und dass diese Zellen beim gesunden Tier Toleranz vermitteln. Nach Ctx-Applikation konnten in vivo nur geringe Ef­fekte beobachtet werde, in vitro führte Ctx zu einer gestörten Reifung der MoDCs, die dadurch ebenfalls einen tolerogenen Phänotyp entwickelten.

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Bimczok, Diane: Characterisation of porcine intestinal dendritic cell subsets and their role in mucosal immunity using cholera toxin as a model antigen. Hannover 2005. Tierärztliche Hochschule.

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